Michał Sawicki Architektura interfejsu szeregowego Thunderbolt

Architektura interfejsu szeregowego Thunderbolt
Michał Sawicki
Rys. 1. Porównanie szybkości transmisji wybranych interfejsów
szeregowych*
Fig. 1. Comparison of data rate for the selected serial interfaces
*Technologia Thunderbolt umożliwia transmisję danych z szybkością 10 Gb/s w każdym z dwóch kanałów transmisyjnych znajdujących się w jednym przewodzie. Na
wykresie szybkość dla Thunderbolt jest sumą szybkości transmisji danych w jedną
stronę dla obu kanałów. Agregację dwóch kanałów fizycznych w jeden logiczny
wprowadzono w kolejnej wersji standardu Thunderbolt 2
Streszczenie: Jednym z najnowszych przedstawicieli interfejsów szeregowych jest port Thunderbolt, oparty na protokołach
PCI Express i DisplayPort, umożliwiający transmisję danych z
dużymi szybkościami. Niniejszy artykuł prezentuje architekturę
interfejsu Thunderbolt, opisuje budowę modelu komunikacyjnego, przewodu oraz wyjaśnia pojęcie meta-protokołu Thunderbolt.
Słowa kluczowe: interfejs szeregowy, meta-protokół, Thunderbolt
NEW serial interface thunderbolt
Abstract: One of newer serial interface is Thunderbolt port,
which is based on the PCI Express and DisplayPort protocol,
and transmits data at high speed. This paper presents the architecture of Thunderbolt interface, describes structure of the
communication model, cable and explains term meta-protocol
Thunderbolt.
Keywords: serial interface, meta-protocol, thunderbolt
Obecnie w systemach komunikacyjnych widoczna jest tendencja do porzucania transmisji przewodem elektrycznym na
rzecz światłowodów (transmisja optyczna), które zapewniają
większe szybkości transmisji przy pełnej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Z tego względu standard Thunderbolt definiuje dwa rodzaje przewodów: elektryczny i optyczny.
2. Meta-protokół Thunderbolt
Standard Thunderbolt wykorzystuje dwa protokoły: PCI
Express (PCIe) i DisplayPort. Pierwszy z nich do transportu
danych np. z dysku twardego, a drugi do przesyłu dźwięku i obrazu (A/V). Na magistrali Thunderbolt obowiązuje tzw. meta-protokół, odpowiedzialny za multipleksowanie (łączenie)
„w locie” strumieni danych protokołów PCIe i A/V DisplayPort.
W urządzeniu źródłowym (rys. 2) kontroler Thunderbolt, który implementuje meta-protokół, dokonuje multipleksowania
dwóch strumieni w jeden strumień pakietów Thunderbolt przesyłanych do urządzenia docelowego. Na podstawie strumienia
odebranych pakietów Thunderbolt w urządzeniu docelowym
odtwarzane (demultipleksowane) są strumienie danych i A/V.
Kontroler Thunderbolt (np. Intel 82524EF) mieści się w jednym układzie, co ułatwia projektantom systemów komputerowych wzbogacanie swoich urządzeń o port Thunderbolt dodając tylko jeden układ scalony. Od strony hosta (urządzenia)
kontroler wyposażony jest w interfejsy kompatybilne z urządzeniem (np. PCIe, DisplayPort, USB, IEEE 1394, Ethernet).
Umożliwia to przystosowanie starszych urządzeń do pracy
z portem Thunderbolt za pomocą tzw. adapterów Thunderbolt.
Nr 11 l Listopad 2014 r. l 123
Oprogramowanie, sieci przemysłowe
1. Wprowadzenie
Obecnie większość interfejsów zewnętrznych w systemach
komputerowych wykorzystuje transmisję szeregową. Początkowo dominował standard RS-232, którego rozwoju zaprzestano
ze względu na trudności przystosowania go do nowych wymagań, jak np. możliwość podłączenia do komputera wielu urządzeń peryferyjnych, wymieniających z nim duże ilości danych.
W tej sytuacji zaistniała potrzeba zdefiniowania nowych standardów, które zapewniałyby szybszy przesył danych i umożliwiały podłączenie wielu urządzeń do jednego komputera. Postawione wymagania spełniają standardy USB i IEEE 1394, a od
2009 roku Thunderbolt, który jest najnowszym standardem
wśród interfejsów szeregowych i jest poważną konkurencją dla
portów USB i IEEE 1394.
Interfejs Thunderbolt (o nazwie kodowej Light Peak) został
zaprezentowany we wrześniu 2009 roku, a dystrybucja urządzeń wyposażonych w ten typ portu rozpoczęła się od lutego
2011. Standard Thunderbolt został opracowany przez firmę
Intel we współpracy z producentem komputerów Mac firmą
Apple. Standard definiuje przewody, wtyki i model komunikacyjny oraz wprowadza pojęcie meta-protokołu Thunderbolt
(patrz p. 2).
Ciągle rozwijająca się technika komputerowa, w której coraz
większe porcje danych muszą być przetwarzane, a co za tym
idzie, transportowane, zmusza projektantów interfejsów do
zwiększania szybkości transmisji, dlatego projektanci interfejsu
Thunderbolt postawili sobie za cel „gwałtowne” przyspieszenie
transmisji danych do 100 Gb/s (w przypadku transmisji światłowodem) i do 10 Gb/s (przewodem elektrycznym).
Rys. 2. Multipleksacja strumieni PCIe i DisplayPort w Thunderbolt
Fig. 2. Multiplexing of PCIe and DisplayPort streams in Thunderbolt
Oprogramowanie, sieci przemysłowe
Dla systemu operacyjnego zainstalowanego w urządzeniach
źródłowym i docelowym transmisja Thunderbolt jest transparentna, tzn. w systemie „widoczne” są tylko interfejsy PCIe
i DisplayPort, a co za tym idzie, urządzenia wyposażone w porty
PCIe i DisplayPort, a nie Thunderbolt. Z tego względu Thunderbolt wykorzystuje tylko niskopoziomowe sterowniki urządzeń PCIe i DisplayPort nie ingerując w pozostałe części (moduły) systemu operacyjnego. Dzięki temu programiści tworzący
aplikacje wykorzystujące komunikację Thunderbolt nie muszą
poznawać nowych sterowników i bibliotek programistycznych.
3. Model komunikacyjny Thunderbolt
Model komunikacyjny prezentuje powiązanie elementów
sprzętowo-programowych w interfejsie urządzenia. Standard
Thunderbolt definiuje trójwarstwowy model komunikacyjny
(rys. 3), w którym niższa warstwa świadczy usługi warstwie
wyższej – tzw. komunikacja pionowa.
Najwyższą warstwą modelu komunikacyjnego Thunderbolt
są stosy protokołów PCIe i DisplayPort, które przekazują strumienie danych i A/V do warstwy niższej – transportowej.
Warstwa transportowa odpowiedzialna jest za enkapsulację
pakietów danych i A/V w pakiety Thunderbolt i umożliwia
multipleksowanie nieregularnego natężenia transakcji PCIe
i izochronicznej komunikacji DisplayPort w jeden strumień
pakietów Thunderbolt. Jest to niewątpliwie dużą zaletą tego
standardu, gdyż umożliwia transmisję informacji różnego typu
(dane i A/V) za pomocą tylko jednego przewodu i jednej pary
układów interfejsowych.
Warstwa fizyczna wykonuje kodowanie, transmisję i odbiór
danych do/z magistrali Thunderbolt oraz jest odpowiedzialna za wykrywanie podłączenia urządzenia, przy czym „gorące
podłączenie” możliwe jest tylko w systemie Mac OS X. Systemy
operacyjne z rodziny Microsoft Windows nie wspierają jeszcze
funkcji HotPlug interfejsu Thunderbolt.
4. Topologia interfejsu Thunderbolt
W jednym systemie komunikacyjnym Thunderbolt może
być do 20 urządzeń połączonych w topologii rozgałęzionej
gwiazdy (wielowarstwowego drzewa), przy czym w łańcuchu
„Daisy Chain” może być podłączonych szeregowo maksymalnie
6 urządzeń. Każde urządzenie wyposażone w port DisplayPort
(z gniazdem mDP, patrz p.5) jest kompatybilne z Thunderbolt
i może być podłączone do systemu Thunderbolt, przy czym
musi zostać podłączone na końcu łańcucha. Tak podłączone
urządzenie (np. wyświetlacz) jest obsługiwane przez kontroler
Thunderbolt w trybie kompatybilności DisplayPort.
124 l Nr 11 l Listopad 2014 r.
Rys. 3. Model komunikacyjny interfejsu Thunderbolt
Fig. 3. Communication model of Thunderbolt interface
Wykorzystując adaptery Thunderbolt, można podłączać do
systemu komunikacyjnego Thunderbolt urządzenia wyposażone w starsze porty, np. IEEE 1394. Można również podłączać
urządzenia Thunderbolt do sieci Gigabit Ethernet, wykorzystując odpowiedni adapter (przejściówkę). To wszystko sprawia, że system Thunderbolt mogą tworzyć nie tylko najnowsze
urządzenia, które są wyposażone już w port Thunderbolt przez
producenta, ale także urządzenia ze starszymi wersjami portów
USB i IEEE 1394.
5. Przewód Thunderbolt
Wtyk i gniazdo Thunderbolt są zgodne ze standardem Mini
DisplayPort (mDP), przy czym przedefiniowano znaczenie niektórych sygnałów. Standard Thunderbolt definiuje dwa rodzaje
przewodów: elektryczny i optyczny (światłowód).
Przewód Thunderbolt zawiera dwa dwukierunkowe kanały do szybkiej transmisji (HighSpeed) i jeden do wolnej (LowSpeed). W każdym kanale sygnały są skrosowane, np. sygnał
nadawania w kanale HighSpeed nadajnika połączony jest z sygnałem odbioru po stronie odbiornika. Transmisja w kanale
wykonywana jest w trybie dupleksu, tzn. jednocześnie mogą
być przesyłane informacje w obie strony.
Transmisja HighSpeed w przewodzie elektrycznym wykonywana jest z wykorzystaniem obwodu różnicowego. Wtyki prze-
wodu optycznego zawierają transceivery (układy nadawczo-odbiorcze) optyczne, dlatego gniazda i wtyki Thunderbolt są
zawsze w wersji elektrycznej, natomiast między wtykami transmisja odbywa się już za pośrednictwem optycznego przewodu.
Z tego względu przewody optyczne (dokładniej hybrydowe) są
znacznie droższe od odpowiedników elektrycznych.
Przewody elektryczne mogą mieć długość do 3 metrów,
a optyczne do 100 metrów. Urządzenia Thunderbolt mogą być
zasilane wprost z magistrali, przy czym pobierana przez nie
moc nie może przekroczyć 10 W.
6. Podsumowanie
Interfejs Thunderbolt jest najmłodszym przedstawicielem
interfejsów szeregowych, mimo tego jest już popularny wśród
użytkowników komputerów Mac i PC wyposażonych w ten
typ portu. Thunderbolt wykorzystuje zalety interfejsów PCI
Express i DisplayPort, przez co stał się poważną konkurencją dla najnowszych wersji portów USB i IEEE 1394, oferując
znacznie większą szybkość transmisji (rys. 1). W przyszłości
wykorzystując przewody optyczne możliwa będzie transmisja
danych z szybkością 100 Gb/s na znacznych odległościach z wykorzystaniem portów Thunderbolt.
Port Thunderbolt umożliwia jednoczesną transmisję strumieni danych i A/V, wykorzystując meta-protokół odpowiedzialny
za multipleksowanie strumieni pakietów dwóch protokołów
PCIe i DisplayPort. Obsługa komunikacji zaimplementowana
jest w jednym układzie kontrolera Thunderbolt, co znacząco
ułatwi przystosowanie urządzeń peryferyjnych do nowego standardu Thunderbolt.
W 2013 roku pojawiła się kolejna wersja interfejsu Thunderbolt 2, która jest kompatybilna (w szczególności warstwa
fizyczna) z pierwszą wersją. Nowy standard umożliwia m.in.
agregację fizycznych kanałów w jeden logiczny, podwajając tym
samym szybkość transmisji danych. W planach jest już następna wersja tego interfejsu (Thunderbolt 3), która wg zapowiedzi
ma umożliwiać transmisję danych z szybkością 40 Gb/s.
Literatura
[1] Thunderbolt Technology Brief, Intel Corporation 2012.
[2] Thunderbolt Technology Reference Guide, Texas Instruments
2012.
[3] Thunderbolt Device Driver Programming Guide, Apple Inc.
2011.
[4] https://thunderbolttechnology.net/ [dostęp 31.12.2012].
 Michał Sawicki – Instytut Informatyki, Politechnika Śląska
artykuł recenzowany
reklama
Nr 11 l Listopad 2014 r. l 125